BR102013030463A2

BR102013030463A2 - Piston ring and process of manufacturing a piston ring

Info

Publication number: BR102013030463A2
Application number: BRBR102013030463-8A
Authority: BR
Inventors: Davi Antônio Da Silva
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa; Mahle Int Gmbh
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-07-07
Also published as: DE102014222065A1

Abstract

Resumo patente de invenção: "anel de pistão e processo de fabricação de um anel de pistão". A presente invenção refere-se a um anel de pistão de primeiro canalete, dotado de um corpo de formato substancialmente anelar (2) definindo uma superfície lateral externa (3) associável à parede de um cilindro ou camisa por sobre pelo menos parte da qual um revestimento (4) é aplicado, onde pelo menos parte da superfície (3) apresenta um acabamento na forma de um padrão ondulado de picos e vales efetuado previamente à aplicação do revestimento (4) e definindo uma porção superficial ondulada/rugosa (5), o revestimento (4) sendo aplicado e estando posicionado por sobre a porção superficial ondulada/rugosa (5).Patent Summary: "Piston ring and process of manufacturing a piston ring". The present invention relates to a first channel piston ring having a substantially annular shaped body (2) defining an outer side surface (3) associable with the wall of a cylinder or jacket over at least part of which a coating (4) is applied where at least part of the surface (3) has a finish in the form of a wavy peak and valley pattern made prior to the application of coating (4) and defining a wavy / rough surface portion (5), the coating (4) being applied and positioned over the corrugated / roughened surface portion (5).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO E PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM ANEL DE PISTÃO". A presente invenção refere-se a um anel de pistão cuja superfí- cie que faceia a parede do cilindro recebe um perfil de ondulação controlada no sentido longitudinal, que combinada com a aplicação de uma camada de resistência ao desgaste homogênea, que copia o perfil de ondulação da su- perfície, visa o aumento da vida útil do componente, uma vez que a espes- sura útil de camada de resistência ao desgaste entre as posições de pico e vale da ondulação da superfície é maior que a espessura real aplicada da camada de resistência ao desgaste.Report of the Invention Patent for "PISTON RING AND PISTON RING MANUFACTURING PROCESS". The present invention relates to a piston ring whose surface facing the cylinder wall receives a longitudinally controlled ripple profile, which combined with the application of a homogeneous wear resistance layer which copies the surface corrugation is intended to increase component life as the wear resistance layer thickness between the peak and trough positions of the surface is greater than the actual applied layer thickness. wear resistance.

Como benefícios adicionais, é esperada uma melhor performan- ce de lubrificação da superfície do anel de pistão, gerando assim taxas ainda menores de desgaste, aumentado assim a expectativa de durabilidade do componente.As additional benefits, a better piston ring surface lubrication performance is expected, thus generating even lower wear rates, thus increasing the expectation of component durability.

Descrição do Estado da Técnica Os motores de combustão interna que operam segundo os ciclos Otto e Diesel compreendem essencialmente um bloco de motor (no qual es- tão localizados um ou mais cilindros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim) ao qual são associados um ou mais cabeçotes. O conjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo vira- brequim. O espaço definido entre a face superior do pistão, a parede do cilindro e a base do cabeçote corresponde à câmara de combustão, no inte- rior da qual o motor converte a energia química produzida pela combustão da mistura (combustível e ar) em energia mecânica capaz de imprimir movi- mento às rodas. A fim de assegurar uma combustão homogênea e sem queima de óleo e ainda evitar a passagem em demasia de gases do cilindro para o cárter, faz-se necessária a utilização de anéis para prover uma boa vedação da folga existente entre o pistão e a parede do cilindro. O anel de compressão tem a função impedir a passagem dos gases da combustão para o interior do cárter, além de servir de ponte de transmissão de calor desde o pistão até a parede do cilindro/camisa, onde é dissipado através do sistema de arrefecimento.Description of the Prior Art Otto and Diesel internal combustion engines essentially comprise an engine block (in which one or more cylinders are located and the crankshaft assembly or crankshaft assembly) to which they are fitted. associated one or more printheads. The crankshaft assembly consists of pistons, connecting rods and the crankshaft. The space between the upper face of the piston, the cylinder wall and the base of the cylinder head corresponds to the combustion chamber, within which the engine converts the chemical energy produced by combustion of the mixture (fuel and air) into mechanical energy. able to print wheel motion. In order to ensure homogeneous and oil-free combustion and to prevent excessive gas flow from the cylinder to the crankcase, it is necessary to use rings to provide a good seal of the gap between the piston and the wall of the cylinder. cylinder. The compression ring has the function of preventing the passage of combustion gases into the crankcase and also serves as a heat transmission bridge from the piston to the cylinder / jacket wall, where it is dissipated through the cooling system.

Via de regra, os anéis de compressão são formados por uma base metálica à qual é aplicada pelo menos uma camada de revestimento, que entra em contato com a parede do cilindro. O papel da camada de re- vestimento é dos mais importantes, porque busca conferir ao anel proprie- dades de baixo atrito de deslizamento, grande resistência à escamação, du- reza e tenacidade.As a rule, the compression rings are formed by a metal base to which at least one coating layer is applied which contacts the cylinder wall. The role of the coating layer is of the most importance because it seeks to give the ring low sliding friction properties, high peeling resistance, toughness and toughness.

Com o benefício de aumento da resistência ao desgaste, o de- senvolvimento de revestimentos de dureza elevada tem se intensificado. En- tretanto, via de regra esses revestimentos de elevada dureza apresentam restrições em relação à espessura de revestimento aplicável, do ponto de vista técnico pelo aumento das concentrações de tensões em revestimentos extraduros, que podem levar a destacamento da camada e falha em regime de funcionamento do motor (spalling), e do ponto de vista econômico, pelos altos custos de aplicação dessas camadas extraduras.With the benefit of increased wear resistance, the development of high hardness coatings has intensified. However, as a rule, these high hardness coatings present constraints regarding the technically applicable coating thickness due to increased stress concentrations in extradure coatings, which may lead to layer detachment and operating failure. spalling, and economically, by the high costs of applying these extradura layers.

Pensando em sanar esses inconvenientes, algumas soluções fo- ram propostas para diminuir a taxa de desgaste dos anéis de pistão via oti- mização do design da superfície do anel de pistão que interage com a cami- sa do cilindro. A patente europeia EP 1 586 405 revela como uma das possí- veis formas de execução de sua invenção um anel de pistão dotado de uma superfície externa que compreende micro-ondulações da ordem de 0.2 pm. A função dessas micro-ondulações, segundo o documento EP1 586 405, é reter óleo lubrificante nos vales desta superfície durante o funcionamento regular do motor, promovendo menor abrasão e maior durabilidade ao con- junto anel e camisa de pistão. Não há, entretanto, menção ao processo de revestimento por PVD (physical vapour deposition) nem qualquer indício de que ela seja eficiente para aumentar a vida útil do componente. A patente norte-americana US 8.381.695, revela uma camisa de pistão cuja face interna revela um padrão de superfície micro-ondulada para redução de atrito e aumento da longevidade das peças do motor, na medida em que ocorre um incremento na lubrificação pela formação de um filme lu- brificante mais eficiente.With a view to remedying these drawbacks, some solutions have been proposed to reduce the wear rate of the piston rings by optimizing the piston ring surface design that interacts with the cylinder shell. EP 1 586 405 discloses as a possible embodiment of his invention a piston ring having an outer surface comprising micro-undulations on the order of 0.2 µm. According to EP1 586 405, the function of these micro-undulations is to retain lubricating oil in the valleys of this surface during regular engine operation, promoting less abrasion and greater durability to the piston ring and sleeve assembly. There is, however, no mention of the physical vapor deposition (PVD) coating process or any indication that it is effective in extending component life. U.S. Patent No. 8,381,695 discloses a piston liner whose inner face reveals a micro-corrugated surface pattern for reducing friction and increasing longevity of engine parts as increased lubrication by formation occurs. a more efficient lubricating film.

Por fim, o documento de patente brasileiro PI 0902385-2, da própria depositante, refere-se a uma bronzina para uso em um motor de combustão interna a qual compreende pelo menos parte de sua superfície de sustentação hidrodinâmica rugosa, a fim de possibilitar a captura de par- tículas sólidas presentes no óleo lubrificante. O segmento de bronzina ali definido compreende pelo menos uma primeira área livre da carga de com- pressão e uma segunda área, onde a primeira área possui pelo menos uma porção superficial para captura de partículas estranhas presentes na cama- da de filme de óleo lubrificante compreendendo uma pluralidade de cavida- des posicionadas de modo a possibilitar que pelo menos uma partícula es- tranha seja capturada e retida por pelo menos uma das cavidades enquanto se movimenta na direção do fluxo de óleo lubrificante, antes de atingir a se- gunda área.Finally, the applicant's own Brazilian patent document PI 0902385-2 refers to a bearing for use in an internal combustion engine which comprises at least part of its rough hydrodynamic bearing surface in order to enable capture of solid particles in the lubricating oil. The bronzine segment defined therein comprises at least a first area free of the compression load and a second area, wherein the first area has at least a surface portion for capturing foreign particles present in the lubricating oil film layer comprising a plurality of cavities positioned to enable at least one foreign particle to be captured and retained by at least one of the cavities while moving toward the lubricating oil flow before reaching the second area.

Porém, este documento também nada revela acerca da utiliza- ção de revestimentos em PVD (physical vapour deposition) e não menciona em momento algum o aumento da vida útil do componente.However, this document also reveals nothing about the use of physical vapor deposition (PVD) coatings and does not mention at any time the increase in component life.

Por tudo o acima exposto, não havia sido desenvolvido até o presente momento um anel de pistão cuja superfície lateral, que faceia a parede do cilindro, seja provida com uma pluralidade de pequenos recessos que possibilitam o aumento da vida útil do componente do motor e atuam como reservatório de revestimento por sobre eles aplicado, bem como aper- feiçoam a lubrificação entre ambos.For all of the above, a piston ring whose side face facing the cylinder wall has not been developed so far has been provided with a plurality of small recesses which allow for increased engine component life and act as a coating reservoir over them and improve lubrication between them.

Objetivos da Invenção A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão cuja su- perfície que faceia a parede do cilindro recebe um perfil de ondulação con- trolada no sentido longitudinal, que combinada com a aplicação de uma ca- mada de resistência ao desgaste homogênea, que copia o perfil de ondula- ção da superfície, visa o aumento da vida útil do componente, uma vez que a espessura útil de camada de resistência ao desgaste entre as posições de pico e vale da ondulação da superfície é maior que a espessura real aplica- da da camada de resistência ao desgaste. A presente invenção tem por objetivo também um anel de pis- tão, particularmente um anel de compressão ou de primeiro canalete, dotado de revestimento que garanta o aumento da vida útil do componente por meio da criação de uma superfície ondulada/rugosa por sobre a qual o revesti- mento é aplicado através do processo de PVD (physical vapour deposition). A presente invenção tem por objetivo ainda um anel de pistão particularmente um anel de com pressão ou de primeiro canalete, cuja su- perfície lateral que faceia a parede do cilindro sofre um processo para a cria- ção de uma superfície ondulada/rugosa previamente à aplicação de um re- vestimento pelo processo de PVD (physical vapour deposition), conseguindo com isso, de forma acessória, o aprimoramento do filme de óleo formado na interface anel/cilindro.OBJECTS OF THE INVENTION The present invention is directed to a piston ring whose surface facing the cylinder wall receives a longitudinally controlled ripple profile combined with the application of a homogeneous wear resistance layer. , which copies the surface ripple profile, is intended to increase component life, since the wear thickness of the wear resistance layer between the peak and valley positions of the surface ripple is greater than the actual thickness. applied to the wear resistance layer. The present invention is also directed to a tread ring, particularly a compression or first groove ring, provided with a coating that ensures increased component life by creating a corrugated / roughened surface over which The coating is applied through the process of PVD (physical vapor deposition). The present invention further relates to a piston ring, particularly a snap ring or first groove ring, whose side surface facing the cylinder wall undergoes a process for creating a corrugated / roughened surface prior to application. of a coating by the process of PVD (physical vapor deposition), thus achieving, in an accessory way, the improvement of the oil film formed in the ring / cylinder interface.

Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão de primeiro canalete, dotado de um corpo de formato substancial- mente anelar definindo uma superfície lateral externa associável à parede de um cilindro ou camisa por sobre pelo menos parte da qual um revestimento é aplicado, onde pelo menos parte da superfície apresenta um acabamento na forma de um padrão de picos e vales efetuado previamente à aplicação do revestimento e definindo uma porção superficial ondulada/rugosa, o revesti- mento sendo aplicado e estando posicionado por sobre a porção superficial ondulada/rugosa.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The objects of the present invention are achieved by a first channel piston ring having a substantially annular shaped body defining an outer lateral surface associable with the wall of a cylinder or jacket over at least part thereof. A coating is applied, where at least part of the surface is finished in the form of a peak and valley pattern made prior to the application of the coating and defining a wavy / rough surface portion, the coating being applied and being positioned over the surface. wavy / rough surface portion.

Descrição Resumida dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des- crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista esquemática de um anel de pistão perten- cente ao estado da técnica.Brief Description of the Drawings The present invention will hereinafter be described in more detail based on an exemplary embodiment shown in the drawings. The figures show: Figure 1 is a schematic view of a prior art piston ring.

Figura 2 - é uma vista em corte de um anel de pistão pertencen- te ao estado da técnica.Figure 2 is a sectional view of a piston ring belonging to the state of the art.

Figura 3 - é uma vista em corte do anel objeto da presente in- venção, anteriormente à aplicação de um revestimento por PVD.Figure 3 is a cross-sectional view of the ring object of the present invention prior to the application of a PVD coating.

Figura 4 - é uma vista em corte do anel objeto da presente in- venção, após à aplicação de um revestimento por PVD.Figure 4 is a cross-sectional view of the ring object of the present invention following the application of a PVD coating.

Figura 5 - é uma vista em corte do anel objeto da presente in- venção, após à aplicação de um revestimento por PVD, com representação esquemática da superfície lateral externa associável à parede de um cilindro.Figure 5 is a cross-sectional view of the ring object of the present invention following the application of a PVD coating with a schematic representation of the external lateral surface associable with a cylinder wall.

Descrição Detalhada das Figuras A presente invenção refere-se a um anel de pistão 1 dotado de um revestimento 4 que garante o aumento da vida útil do componente por meio da criação de uma superfície ondulada/rugosa 5 por sobre a qual o re- vestimento 4 é aplicado.DETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES The present invention relates to a piston ring 1 provided with a coating 4 which ensures increased component life by creating a corrugated / roughened surface 5 over which the coating 4 its applied.

De modo preferencial, mas não obrigatório, o anel 1 assume a configuração de um anel de primeiro canalete, ou anel de compressão, mas é evidente que pode assumir outras configurações como um anel de segun- do canalete, um anel raspador de óleo, um anel de um motor de 2 tempos, um anel de compressor ou qualquer outra configuração necessária ou dese- jável. Ainda de modo preferencial mas não obrigatório, o revestimento 4, po- de ser aplicado através do processo de PVD (physical vapour depositi- on/deposição física de vapor) ou ainda outro processo qualquer de deposi- ção.Preferably, but not necessarily, ring 1 assumes the configuration of a first channel ring, or compression ring, but of course it may assume other configurations such as a second channel ring, an oil scraper ring, a 2-stroke motor ring, compressor ring, or any other configuration required or desired. Preferably but not obligatory, coating 4 may be applied by the process of PVD (physical vapor deposition) or any other deposition process.

Descrevendo de maneira essencial, o anel de pistão objeto da presente invenção compreende corpo de formato substancialmente anelar 2 definindo uma superfície lateral externa 3 associável à parede de um cilindro ou camisa (não ilustrada). Pelo menos parte da superfície 3 apresenta um acabamento na forma de um padrão de picos e vales, tal e qual ilustrado na figura 3, definindo uma definindo uma porção superficial ondulada/rugosa 5.Essentially describing, the piston ring object of the present invention comprises substantially annular shaped body 2 defining an outer side surface 3 associable with the wall of a cylinder or jacket (not shown). At least part of the surface 3 has a finish in the form of a peak and valley pattern as shown in Figure 3, defining one defining a wavy / rough surface portion 5.

Cumpre notar que é indiferente para a definição do escopo de proteção da presente invenção se a porção superficial ondulada/rugosa 5 corresponde somente a parte da superfície lateral externa 3 ondulada/rugosa ou a toda ela, mas de modo preferível corresponde a corresponde à totalida- de da área da superfície lateral interna 3.Qualquer que seja a constituição específica da porção superficial ondulada/rugosa 5, ela apresenta um valor de rugosidade substancialmente entre Rz 0,2 e Rz16, com a superfície on- dulada sendo definida de 2 a 100 μιτι de profundidade e período/frequência de 2 a 500 pm. A padrão de rugosidade/ondulação 5 pode ser aplicado em parte ou toda superfície de contato do par anel de pistão/parede do cilindro, locali- zados ou em toda a extensão periférica do anel de pistão. O revestimento 4 é aplicado e fica posicionado por sobre parte ou toda a porção superficial ondulada/rugosa 5, conforme ilustrado nas figu- ras 4 e 5. De modo preferível mas não limitante, toda a porção 5 é recoberta.It should be noted that it is indifferent to the definition of the scope of protection of the present invention whether the corrugated / roughened surface portion 5 corresponds only to or all of the corrugated / roughened outer lateral surface portion 3 but preferably corresponds to the totality of the corrugated / corrugated surface. Whatever the specific constitution of the corrugated / roughened surface portion 5, it has a roughness value substantially between Rz 0.2 and Rz16, with the corrugated surface being defined from 2 to 100. μιτι depth and period / frequency from 2 to 500 pm. The roughness / ripple pattern 5 may be applied to part or all of the contact surface of the piston ring / cylinder wall pair, or to the entire peripheral extension of the piston ring. The coating 4 is applied and positioned over part or all of the corrugated / roughened surface portion 5 as shown in figures 4 and 5. Preferably but not limiting, the entire portion 5 is covered.

Esse revestimento 4 pode assumir qualquer configuração e co- mo alternativas preferíveis mas não limitantes, o revestimento pode se apre- sentar como material (i) cerâmico, (ii) galvânico, (iii) polimérico, (iv) químico, dentre outros e podendo se apresentar sob a forma de monocamada de ni- treto de cromo (CrN e/ou Cr2N), multicamada de nitreto de cromo com pre- dominância alternada de camadas de CrN e Cr2N) ou multicamada de nitreto de cromo e nitreto de nióbio (CrN/NbN) ou ainda qualquer outra. A determinação dos valores de rugosidade e espessura do re- vestimento são claramente estudados para que o revestimento obtido tenha tal característica geométrica que, ao longo da vida útil do motor, ao menos os vales que determinam a rugosidade ainda contenham o revestimento.Such coating 4 may assume any configuration and as preferred but not limiting alternatives, the coating may be presented as (i) ceramic, (ii) galvanic, (iii) polymeric, (iv) chemical, among others and may present as chromium nitride monolayer (CrN and / or Cr2N), chromium nitride multilayer with alternating predominance of CrN and Cr2N layers) or chromium nitride and niobium nitride (CrN / NbN) or any other. The determination of the values of roughness and thickness of the coating are clearly studied so that the coating obtained has such a geometrical characteristic that throughout the engine life at least the valleys that determine the roughness still contain the coating.

Conforme ilustrado na figura 5, o modelo de desgaste para anéis de pistão em um motor, gera um desgaste D o qual corresponde inicialmente à remo- ção de todo o revestimento por sobre o picos que determinam a rugosidade, e, por fim, à remoção dos próprios picos. É ainda uma invenção nova, inventiva e incluída no escopo de proteção das reivindicações um processo de fabricação do presente anel de pistão 1, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: (i) Superfície ondulada sendo aplicada via processo de usina- gem e posterior aplicação de cobertura de resistência ao desgaste, ou (ii) Superfície ondulada sendo fornecida diretamente na maté- ria-prima para posterior aplicação de cobertura de resistência de desgaste. A porção superficial ondulada/rugosa 5 é atingida através de u- sinagem da face de contado do anel de pistão com a parede do cilindro ou, alternativamente, é fornecida diretamente no material base de fabricação do anel de pistão na forma de fita pré-perfilada.As illustrated in figure 5, the wear pattern for piston rings in an engine generates wear D which initially corresponds to the removal of the entire liner over the roughness peaks, and finally to the removal of the peaks themselves. It is still a new, inventive invention and included within the scope of the claims a process of manufacturing the present piston ring 1, characterized in that it comprises the following steps: (i) Corrugated surface being applied via machining process and subsequent application of wear resistance cover, or (ii) Corrugated surface being supplied directly to the raw material for subsequent application of wear resistance cover. The corrugated / roughened surface portion 5 is achieved by using the contact face of the piston ring with the cylinder wall or, alternatively, is supplied directly to the base material of the piston ring in the form of pre-profiled tape. .

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Having described an example preferred embodiment, it is to be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations and is limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.

Claims

1. First channel piston ring, provided with a substantially annular shaped body (2) defining an outer side surface (3) associable with the wall of a cylinder or sleeve over at least part of which a coating (4) is applied. characterized in that at least part of the surface (3) has a wavy finish in the form of a peak and valley pattern made prior to the application of the coating (4) and defining a wavy / rough surface portion (5), the coating (4) being applied and being positioned over the wavy / rough surface portion (5).

Ring according to claim 1, characterized in that the wavy / rough surface portion (5), with the wavy surface being defined from 2 to 100 μιτι depth and period / frequency from 2 to 500 μιτι.

Ring according to Claim 1 or 2, characterized in that the corrugated / roughened surface portion (5) corresponds to the totality of the inner lateral surface area (3).

Ring according to Claim 1 or 2, characterized in that the corrugated / roughened surface portion (5) corresponds to that part of the inner lateral surface area (3).

Ring according to any one of the preceding claims, characterized in that the outer lateral surface (3) has a roughness pattern after application of the coating (4), which reflects the roughness values of the wavy / rough surface portion (5).

Ring according to any one of the preceding claims, characterized in that the corrugated / roughened surface portion (5) is applied by the process of physical vapor deposition (PVD).

Process for manufacturing a piston ring as defined in claims 1 to 6, characterized in that the corrugated / roughened surface portion (5) is achieved by machining the contact face of the piston ring with the cylinder wall.

Process for manufacturing a piston ring as defined in claims 1 to 7, characterized in that the roughened surface portion is supplied directly to the base material of the piston ring in the form of a pre-formed tape. profiled.